CN102393245A - 双层封装式硅微抗噪仿生矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种双层封装式硅微抗噪仿生矢量水听器，解决了现有水听器因其透声帽存在缺陷而限制了水听器的探测距离和定位精度等问题。本发明包括通过内部支撑体固定支撑在管壳内的四梁仿生微结构，四梁仿生微结构上粘结有敏感柱体，微结构整体的外部套装有一端敞口、另一端半球形封闭的透声帽，透声帽的敞口端密封固定在管壳上，透声帽内充满介质油，在透声帽的外部还套设有一端为敞口、另一端为半球形封闭的导流罩，导流罩的敞口端密封固定在管壳上，导流罩半球形封闭的顶端开设有一个导流口，透声帽和导流罩之间留有夹层空隙。本发明灵敏度高、矢量指向性好，能减少流噪声对水听器的影响，提高了水听器的信噪比，有良好的应用前景。

Description

双层封装式硅微抗噪仿生矢量水听器

技术领域

本发明涉及一种MEMS矢量水听器，具体为一种双层封装式硅微抗噪仿生矢量水听器。

背景技术

近年来，矢量水听器被逐渐应用于水声测量、探测和水下定位等领域。矢量水听器内最重要的结构是四梁仿生微结构体，四梁仿生微结构体包括一个支撑框体，支撑框体中心处设有一个质量块，质量的四边分别通过一根弹性梁与支撑框体固定，在质量块的中心面上粘结有敏感柱体，最后四梁仿生微结构的支撑框体通过一个内部支撑体粘结固定在管壳上，在实际应用时，在四梁仿生微结构及其纤毛柱体的整体外部都套装一个一端与管壳密封固定、另一端封闭的单层透声帽，透声帽内充满介质油，当声波以一定的速度在水中传播时，在透声帽外表面附近会产生海水介质微团的湍流脉动，由此激发水动力噪声，一般称之为流噪声。流噪声的存在，增加了矢量水听器的噪声背景，在一定程度上限制了矢量水听器的探测距离和定位精度，降低了矢量水听器的信噪比。

专利号为ZL200610012991.0的中国专利公开了一种“共振隧穿仿生矢量水声传感器”。这种水声传感器有着极好的透声性，但是却无法抑制流噪声对其接收微弱信号的干扰。流噪声覆盖了一部分微弱有用信号，使矢量水听器的信噪比降低，严重影响了矢量水听器的低频性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的矢量水听器因其透声帽存在技术缺陷而限制了矢量水听器的探测距离和定位精度等问题，而提供一种双层封装式硅微抗噪仿生矢量水听器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双层封装式硅微抗噪仿生矢量水听器，包括通过内部支撑体固定支撑在圆柱体管壳内的四梁仿生微结构，四梁仿生微结构的质量块上粘结有敏感柱体，在四梁仿生微结构及其敏感柱体的外部套装有一端为敞口、另一端为半球形封闭的圆柱体透声帽，透声帽的敞口端密封固定在管壳上，并且透声帽内充满介质油；其中，在透声帽的外部还套设有一端为敞口、另一端为半球形封闭的圆柱体导流罩，导流罩的敞口端密封固定在管壳上，导流罩的半球形封闭的顶端还开设有一个导流口，且导流罩和透声帽之间留有夹层空隙。

在实际应用时，将本发明矢量水听器放入水中，外层导流罩和内层透声帽之间的夹层空隙会通过导流罩上开设的导流口与外部水介质贯通而充满水介质，当声波以一定的速度在水中传播时，在导流罩外表面附近会存在海水介质微团的湍流脉动而对导流罩产生湍流压力，此时外层导流罩的存在能为夹层空隙间的水介质分解部分压力，而夹层空隙间的水介质层又能对内层的透声帽起到一定的缓冲作用，最终降低了湍流压力到达矢量水听器的敏感单元的强度，进而减小流噪声对矢量水听器敏感单元的影响，降低了矢量水听器输出的噪声电压，提高矢量水听器的信噪比。

进一步地，所述的透声帽与导流罩均由有良好透声性的聚氨酯材料制作而成，聚氨酯具有良好的透声性，确保声波经过多层介质后仍然能够最大限度的传递给矢量水听器的四梁仿生微结构及其纤毛柱体。

本发明是在不影响原矢量水听器灵敏度及“8”字形矢量指向性的前提下设计的。以下是对采用本发明封装结构的矢量水听器的灵敏度和矢量指向性进行的测试。

为了对比现有封装结构和本发明封装结构的MEMS矢量水听器灵敏度，在一组相同的频率点上取值，测试结果如表1所示。从表中可以看出：现有封装结构的水听器灵敏度相对较高，但是本发明封装结构的水听器与它最多只相差2.7dB，所以改进过的本发明封装结构对水听器灵敏度的影响并不是很大。

表1不同封装结构的矢量水听器接收灵敏度

为了对比现有封装结构和本发明封装结构的MEMS矢量水听器的指向性，分别测试其指向性。测试频率为160Hz，测试结果分别如图2和图3所示，由图可以看出，采用两种封装结构的水听器的凹点深度均为Kd>20dB，因此改进后的本发明封装结构对矢量水听器的指向性没有影响。

在不影响水听器指向性和灵敏度的前提下，通过对比实验来验证本发明封装结构的优越性。如图4所示，为分别采用现有封装结构和本发明封装结构的水听器的接受噪声功率谱级图；如图5所示，为分别采用现有封装结构和本发明封装结构的水听器的接受信号功率谱级图。由图可知，采用本发明封装结构的矢量水听器对抑制流噪声的能力提高了20dB以上，从而使得水听器的信噪比得到大幅度提高。

本发明结构简单、新颖，灵敏度高且具有良好的“8”字形矢量指向性，加工成本低，易于实现，能有效的减少流噪声对MEMS矢量水听器的影响，提高了矢量水听器的信噪比，有效改善了矢量水听器的低频特性，有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为采用现有封装结构的矢量水听器的“8”字形矢量指向性图。

图3为采用本发明封装结构的矢量水听器的“8”字形矢量指向性图。

图4为分别采用现有封装结构和本发明封装结构的矢量水听器的接受噪声功率谱级图。

图5为分别采用现有封装结构和本发明封装结构的矢量水听器的接受信号功率谱级图。

图中：1-透声帽、2-导流罩、3-导流口、4-四梁仿生微结构、5-敏感柱体、6-内部支撑体、7-壳体、8-介质油。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的描述：

如图1所示，一种双层封装式硅微抗噪仿生矢量水听器，包括通过内部支撑体6固定支撑在圆柱体管壳7上的四梁仿生微结构4，四梁仿生微结构4的质量块中心面上粘结有敏感柱体5，在四梁仿生微结构4及其敏感柱体5的外部套装有一端为敞口、另一端为半球形封闭的圆柱体透声帽1，透声帽1的敞口端密封固定在管壳7上，并且透声帽1内充满介质油8；其中，在透声帽1的外部还套设有一端为敞口、另一端为半球形封闭的圆柱体导流罩2，导流罩2的敞口端密封固定在管壳7上，导流罩2的半球形封闭的顶端还开设有一个导流口3，且透声帽1和导流罩2之间留有夹层空隙。

当本发明水听器在水中具体测量时，内层透声帽1和外层导流罩2之间的夹层空隙会因导流罩2上开设的导流口3与外部水介质贯通而充满水介质，水介质层能对内层的透声帽1起到一定的缓冲作用，最终降低了湍流压力到达矢量水听器的四梁仿生微结构4及其纤毛柱体5的强度，进而减小流噪声对矢量水听器的影响，降低了矢量水听器输出的噪声电压，提高矢量水听器的信噪比；透声帽1内的介质油8起抗静水压、绝缘的作用，保证了矢量水听器的基础结构不被短路，使矢量水听器能够在水中正常工作。

进一步地，透声帽1与导流罩2均由有良好透声性的聚氨酯材料制作而成，聚氨酯具有良好的透声性，确保声波经过多层介质后仍然能够最大限度的传递给矢量水听器的四梁仿生微结构4及其纤毛柱体5。

Claims (2)

1.一种双层封装式硅微抗噪仿生矢量水听器，包括通过内部支撑体（6）固定支撑在圆柱体管壳（7）上的四梁仿生微结构（4），四梁仿生微结构（4）的质量块上粘结有敏感柱体（5），在四梁仿生微结构（4）及其敏感柱体（5）的外部套装有一端为敞口、另一端为半球形封闭的圆柱体透声帽（1），透声帽（1）的敞口端密封固定在管壳（7）上，并且透声帽（1）内充满介质油（8），其特征在于：在透声帽（1）的外部还套设有一端为敞口、另一端为半球形封闭的圆柱体导流罩（2），导流罩（2）的敞口端密封固定在管壳（7）上，导流罩（2）的半球形封闭的顶端还开设有一个导流口（3），且透声帽（1）和导流罩（2）之间留有夹层空隙。

2.根据权利要求1所述的双层封装式硅微抗噪仿生矢量水听器，其特征在于：透声帽（1）与导流罩（2）均由透声性良好的聚氨酯材料制作而成。

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